La investigación combina origami de ADN y fotolitografía para acercarse un paso más a los ordenadores moleculares

Los componentes moleculares de las computadoras podrían representar una nueva revolución en la tecnología de la información y ayudarnos a crear computadoras más baratas, más rápidas, más pequeñas y más potentes. Sin embargo, los investigadores están luchando por encontrar formas de recopilarlos de manera más confiable y eficiente.

Para lograrlo, científicos del Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias investigaron las posibilidades de autoensamblaje de una máquina molecular basándose en soluciones perfeccionadas por la evolución natural y aprovechando sinergias con la fabricación actual de chips.

Existe un límite para la miniaturización de los actuales chips informáticos basados ​​en silicio. La electrónica molecular, que utiliza interruptores y memorias del tamaño de una sola molécula, podría revolucionar el tamaño, la velocidad y las capacidades de las computadoras y al mismo tiempo reducir su creciente consumo de energía, pero producirlas en grandes cantidades es un desafío. La fabricación y el ensamblaje de componentes a gran escala, accesibles y con pocos defectos sigue siendo difícil de alcanzar. La inspiración extraída de la naturaleza viva puede cambiar este status quo.

Actualmente se están produciendo pequeños prototipos de circuitos moleculares de dos moléculas mediante microscopía de barrido, que manipula una molécula a la vez con un voladizo microscópico lento y pesado.

Prokop Haapala, quien dirigió Estancia Publicado en ACS NanoLo compara con la construcción de un delicado mosaico utilizando una enorme grúa, un azulejo a la vez. El autoensamblaje puede resolver este problema, pero crea otros desafíos. Por ejemplo, ¿cómo podemos producir una variedad de estructuras cuando sólo se puede codificar una pequeña cantidad de información estructural en las interacciones entre unos pocos grupos funcionales?

Los investigadores del Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias se inspiraron en la naturaleza, donde los componentes funcionales y estructurales se separan en plantillas poliméricas como el ADN o el ARN. Allí, los fosfatos de azúcar proporcionan un andamiaje y las nucleobases, unidas por enlaces de hidrógeno, proporcionan almacenamiento de información.

Gracias a estos enlaces, estos polímeros informativos pueden autoensamblarse en formas complejas y conducir a la autorreplicación o la síntesis de otras moléculas más pequeñas. Este enfoque ya se ha utilizado en el «origami de ADN», que puede producir moléculas complejas con las formas y funciones deseadas. Pero, ¿cómo podemos escalar el proceso y lograr una mayor diversidad?

«Los pares de bases de ADN conocidos, que ingenuamente se podría pensar que son la mejor opción, no se pueden utilizar tal cual», explica Paolo Nicolini, uno de los autores. «Funciona muy bien en la célula, pero eso depende del medio ambiente y del resto de la maquinaria celular. En condiciones compatibles con la nanofabricación, simplemente no es lo suficientemente selectivo».

Mithun Manikandan, Paolo Nicolini y Prokop Haapala decidieron combinar las posibilidades que ofrecen el origami de ADN y la fotolitografía para desarrollar estructuras complejas de chips contemporáneos. Esto podría allanar el camino para la producción en masa de circuitos moleculares revolucionarios integrados con la tecnología de fabricación de chips contemporánea, algo que podría permitir una transición sin problemas de las máquinas informáticas actuales al siguiente nivel.

Para permitir esto, los investigadores propusieron reemplazar la cadena principal de azúcar y fosfato con diacetileno sensible a la luz. Utilizaron simulaciones detalladas para examinar los grupos finales complementarios unidos por enlaces de hidrógeno que impulsarían el autoensamblaje en una red en las condiciones utilizadas en la producción de chips.

Se utilizaron derivados de diacetileno como columna vertebral porque pueden polimerizarse eficientemente en estas condiciones cuando se preparan con radiación UV o inyección de electrones, y se examinaron in silico unidades similares a bases de ADN/ARN (“letras” del código genético) como grupos terminales. Dirigir el ensamblaje de componentes en las formas previstas.

El objetivo era encontrar pares complementarios, en los que dos módulos se unieran de forma fiable entre sí y no con otros módulos; esta característica, similar de nuevo a cómo funciona el ADN, permitiría la creación de patrones de circuitos deterministas complejos. Los investigadores descubrieron que las unidades que contienen grupos terminales donantes de hidrógeno puro eran especialmente adecuadas. Se encontraron dieciséis módulos candidatos prometedores, lo que allanó el camino para la investigación experimental y eventuales aplicaciones industriales.

Los hallazgos tienen implicaciones interesantes para la computación del ADN y los análogos artificiales del ADN. La mayoría de los posibles alfabetos de cuatro letras encontrados en la selección se produjeron en una región muy estrecha de energías de unión de 15 a 25 kcal/mol, y todos dependieron de un pequeño subconjunto de los grupos finales analizados.

Aunque sólo se puede muestrear con alta precisión un pequeño subconjunto del posible espacio de letras, esto sugiere que el alfabeto de ADN puede no ser simplemente el resultado de un “accidente congelado en el tiempo”, sino que podría ser una opción estable y fuertemente preferida. No se han encontrado alfabetos de seis letras en el espacio analizado, pero nuevos mecanismos de selectividad y enlaces no covalentes distintos de los enlaces de hidrógeno (como los enlaces de halógeno) podrían permitir lograrlo. De manera similar, se puede probar el potencial terapéutico y farmacéutico de los análogos del ADN.

Este trabajo mejorará la disponibilidad sintética de moléculas y superará las limitaciones experimentales. Si bien la mayoría de nosotros probablemente leeremos esto en máquinas que dependen de transistores basados ​​en silicio, pronto podremos comenzar a realizar una transición sin problemas a máquinas que utilicen, en parte, nanoelectrónica molecular. Este trabajo representa un paso más hacia ese futuro.